El desafío de integrar una antena en pequeños dispositivos IoT

El Internet de las cosas (IoT) es una tendencia tecnológica que cambia paradigmas en la que objetos cotidianos, desde refrigeradores hasta relojes, se transforman en dispositivos inteligentes con conectividad a Internet. Estos objetos pueden compartir datos entre sí, lo que permite automatizar y mejorar muchos aspectos de la vida diaria.

Las antenas juegan un papel fundamental en estos dispositivos. Una antena es un dispositivo que convierte la radiación electromagnética en corriente eléctrica, o viceversa. Esta función es crucial para permitir que los dispositivos de IoT se comuniquen e intercambien datos entre sí de forma inalámbrica, facilitando así la interconexión que define el Internet de las cosas.

Sin embargo, dadas las numerosas limitaciones y consideraciones en juego, integrar antenas en estos pequeños dispositivos de IoT (Figura 1) es un desafío importante.

En el mundo del IoT, lo pequeño es lo nuevo: los consumidores desean dispositivos compactos y discretos, y los fabricantes se esfuerzan por cumplirlos. Estas restricciones de tamaño plantean un obstáculo importante para la integración de antenas.

Las antenas funcionan basándose en la resonancia a una frecuencia específica y su tamaño suele ser proporcional a la longitud de onda de la frecuencia para la que están diseñadas para funcionar. Por ejemplo, una antena dipolo que funcione en una banda de frecuencia de 2,4 GHz idealmente debería tener aproximadamente 6,25 cm de largo, un tamaño que a menudo no es factible para dispositivos IoT compactos.

El espacio dentro de un pequeño dispositivo IoT está abarrotado, lo que presenta una tarea compleja para la integración de antenas. La antena debe funcionar muy cerca de otros componentes como procesadores, baterías y sensores. Estos componentes pueden interferir con el funcionamiento de la antena, afectando su rendimiento y, en última instancia, la funcionalidad del dispositivo.

Por ejemplo, la carcasa metálica de una batería, a menudo el componente más grande dentro de un dispositivo IoT compacto, puede perturbar el funcionamiento de una antena de dos maneras: puede desafinar la antena, cambiando su frecuencia operativa, o debido a su tamaño puede proteger la antena. antena, reduciendo el patrón de radiación efectivo y debilitando la conectividad del dispositivo.

De manera similar, los procesadores, particularmente los que operan a altas frecuencias, generan un ruido electromagnético sustancial. Cuando una antena está muy cerca, puede captar este ruido, lo que interfiere con la recepción y transmisión de señales.

El impulso por dispositivos IoT más pequeños y compactos es excelente en términos de portabilidad y estilo, pero tiene desventajas en lo que respecta al rendimiento de las antenas. A medida que estos dispositivos se hacen más pequeños, las antenas que contienen también deben reducirse. Esta reducción de tamaño puede afectar negativamente a muchas características importantes del funcionamiento de una antena.

Algunos de los efectos perjudiciales de la miniaturización sobre el rendimiento de la antena incluyen:

Hay varias soluciones potenciales a estos desafíos:

Los SoC integran una unidad de microcontrolador (MCU) y una interfaz de RF en una matriz de silicio. Al fusionar estas dos funciones, los SoC hacen un excelente uso del espacio limitado dentro de un dispositivo IoT. Esta ventaja de eficiencia espacial es una razón clave por la cual los dispositivos de IoT se diseñan cada vez más en torno a MCU inalámbricas.

A pesar de estos beneficios, los SoC no pueden resolver todos los problemas: el tamaño físico de la antena aún está limitado por la longitud de onda de la frecuencia en la que opera, y la desafinación (un cambio en la frecuencia operativa de la antena causado por componentes cercanos) sigue siendo un problema importante. .

Otra posible solución es emparejar SoC con antenas de traza de PCB o antenas de chip.

Una antena de traza de PCB es una antena cuyo conductor está grabado en la superficie de la PCB (Figura 2). Son rentables pero ocupan un espacio considerable y, por lo tanto, crean dispositivos IoT voluminosos. Por otro lado, las antenas con chip son componentes más pequeños montados en superficie que pueden ahorrar espacio. Sin embargo, dependiendo de si están conectados al plano de tierra o no, pueden requerir una cantidad significativa de espacio libre.

Al utilizar estos tipos de antenas, los diseñadores deben tener en cuenta varios factores para estimar el tamaño del dispositivo IoT. Estos incluyen las dimensiones de la PCB necesarias para la antena, las áreas libres necesarias y la distancia entre la antena y el borde de la carcasa del dispositivo.

Sin embargo, este enfoque conlleva su propio conjunto de desafíos. A menudo resulta en mayores costos de desarrollo debido a la necesidad de habilidades y equipos de diseño de RF especializados para el diseño, las pruebas y la sintonización. Además, hay que considerar los costos de certificación.

Por lo tanto, si bien emparejar SoC con estas antenas podría resolver algunos problemas de espacio, requiere una planificación cuidadosa y también podría aumentar el tiempo de comercialización debido a los requisitos de diseño, pruebas y certificación.

El SiP es un tipo de módulo que integra múltiples componentes, incluida una unidad de microcontrolador (MCU), una interfaz de radiofrecuencia (RF) y una antena en un solo paquete. El módulo SiP ofrece la compacidad de un SoC y al mismo tiempo incluye todos los componentes pasivos esenciales, eliminando así los dolores de cabeza de diseño de RF para los ingenieros.

Además de su naturaleza compacta, los módulos SiP abordan de manera única el notorio problema de desafinación en la integración de antenas. La disposición de la antena dentro de estos módulos está diseñada para funcionar de manera óptima incluso cuando se encuentra muy cerca de la carcasa de plástico. Esta flexibilidad de diseño permite a los ingenieros colocar el módulo SiP en cualquier lugar de su dispositivo, lo que ayuda a reducir el tamaño total del dispositivo.

El proceso de integración de antenas en pequeños dispositivos IoT presenta desafíos importantes. Estas dificultades surgen principalmente de las limitaciones del tamaño del dispositivo y de los impactos negativos que la miniaturización puede tener en el rendimiento de las antenas.

Se han desarrollado varias soluciones que abordan estos desafíos hasta cierto punto.

La combinación de SoC con trazas de PCB o antenas de chip, por ejemplo, resuelve el problema de la limitación de espacio. Sin embargo, este enfoque podría alargar el tiempo de comercialización del producto debido al tiempo adicional requerido para los procesos de diseño, pruebas y certificación.

Los SiP proporcionan una solución más completa y fácil de usar para la integración de antenas. Estas unidades listas para usar vienen con una antena integrada, lo que elimina la necesidad de un diseño de RF complejo. Además, abordan eficazmente el problema de desafinación de antenas que a menudo se asocia con los dispositivos IoT compactos.